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伺服系統的動力方法設計

信息發布來源：直線步進電機供應商振合機電

伺服系統的設計包括：
伺服系統的動力方法設計-靜態設計
伺服電機型號和電機機械系統參數相互匹配。
控制理論方法設計-控制器參數和動態性能指標
一、慣量匹配：
（一）.等效負載慣量JL的計算
1.驅動回轉體的轉動慣量：

回轉運動的動能：

根據能量守恒:

推廣到對多軸系統：

2.直線運動物體的等效轉動慣量：
以絲杠螺母帶動工作臺為例：
直線運動工作臺的動能：
將此能量轉換成電機軸回轉運動的能量，根據能量守恒，

推廣到對一般系統：

3.回轉和直線聯動裝置的等效轉動慣量：

（二）. 慣量匹配原則
1.步進電機的慣量匹配條件：

帶慣性負載時的最大啟動頻率：

2.交、直流伺服電機的慣量匹配原則：
對于采用慣量較小的直流伺服電機的伺服系統
對于采用大慣量直流伺服電機的伺服系統

二、容量匹配：
（一）. 等效轉矩的計算
1.等效負載轉矩[TL]的計算
根據能量守恒原理：

有些機械裝置中有負載作用的軸不止一個，此時

2.等效摩擦轉矩[Tf]的計算
由于機械裝置大部分損失的功率是克服摩擦力做功，所以等效摩擦力矩根據機械效率做近似估算：

3.等效慣性力矩[Ta]的計算
電機在變速時，需要一定的加速力矩。

（二）. 伺服電機容量匹配原則
1.步進電機的容量匹配

2.交直流伺服電機的容量匹配：
直流伺服電機的轉矩-速度特性曲線分成連續工作區、斷續工作區、加減速工作區，三個區用途不同，電機轉矩的選擇方法也不一樣。工程上常根據電機發熱條件的等效原則，將重復短時工作制等效于連續工作制的電機來選擇。
三、速度匹配
同樣功率的電機，額定轉速高則電機尺寸小，重量輕；電機轉速越高，傳動比就會越大，這對于減小伺服電機等效轉動慣量，提高電機負載能力有利。因此電機常工作在高轉速低扭矩狀態。但是機械裝置工作在低轉速高扭矩狀態，所以要在伺服電機和機械裝置之間需要減速器匹配。應該在對負載分析的基礎上，合理選擇減速器的減速比。
四、伺服電機選擇實例：
（一）步進電機選擇實例
工作臺（拖板）重量W=2000N，拖板導軌之間摩擦系數μ=0.06，車削是最大切削負載FZ=2150N，y向切削分力Fy=2FZ=4300N（垂直于導軌），要求刀具切削使得進給速度v1=10-500mm/min，快速行程速度v2=3000mm/min，滾珠絲杠名義直徑d0=32mm，導程tsp=6mm，絲杠總長l=1400mm，拖板最大行程為1150mm，定位精度±0.01mm，試選擇合適的步進電機。

圖4.18 步進電機帶動工作臺

1.脈沖當量的選擇：
初選三相步進電機的步距角為0.75°/1.5°，當三相六拍運行時，步距角θ=0.75°，其每轉脈沖數S=360°/θ=480。初選脈沖當量δ=0.01mm，根據脈沖當量的定義，可得中間齒輪傳動比i為

選小齒輪齒數Z1=20，Z2=25。模數m=2
2.等效負載轉矩的計算
（1）空載時的等效摩擦轉矩Tf

（2）車削加工時的等效負載轉矩TL

3.等效轉動慣量
（1）滾珠絲杠的轉動慣量Jsp

（2）拖板運動慣量換算到電機軸上的轉動慣量JW

（3）大齒輪的轉動慣量Jg2

（4）小齒輪的轉動慣量Jg1

4.初選電機型號
已知TL=241.4（N.cm），JL=7.76（N.cm. s2），初選電機型號為110BF003，
其最大靜轉矩Tmax=800，轉子慣量Jm=4.7 （N.cm. s2）由此可得

滿足慣量匹配和容量匹配的條件
5.速度驗算
（1）快進速度驗算
查步進電機運行矩頻曲線得當fmax=6000HZ時，
電機轉矩Tm=90（Ncm）>Tf=11.46,可按此頻率計算最大進給速度v2

（2）工進速度的驗算

綜上所述，可選擇此型號的電機
（二）直流伺服電機選擇實例
線位移脈沖當量δ=0.01mm，最大進給速度v2=6000mm/min，加速時間0.2s，移動體重量W=2000N，移動速度6m/min，拖板導軌之間摩擦系數μ=0.065，電機直接驅動絲杠。絲杠外徑55mm，試選擇合適的直流伺服電機。